·５６·机器人技术扔兹２００９年第３期总第３６卷
工业机器人模块化设计研究陈航１，殷国富１，赵伟１，周晓军２（１．四川大学制造科学与工程学院，四川成都６１００６５；２．成都广泰实业有限公司，四川成都６１０１６５）奠曼：介绍了工业机器人模块化设计的概念，并且详细阐述了这种设计方式的过程及其对比传统设计方法的优势，指出了模块化设计的关键技术是模块的划分和集成。以５０ｋｇ负载工业机器人的设计为实例，对这－－ｉｔ计思路加以说明。关麓词：工业机器人；模块化；设计中圈分类号：ＴＰ２４２．２文献栝识码：Ａ文章编号：１００６—０３１６（２００９）０３—００５６—０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔｂａｓｅｄｏｎ
ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ
ＣＨＥＮＨａｎ９１，ＹＩＮＧｕｏ．ｆｕｌ，ＺＨＡＯＷｅｉｌ，ＺＨＯＵＸｉａｏ－ｊｕｎ２
（１．ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００６５，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｅｎｇｄｕＧｒｅａｔＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０１６５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｕｓｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔｄｅｓｉｇｎｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｈｅｒｅ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｔｈｉｓ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔ；ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ
我国工业机器人从２０世纪８０年代初开始起步，在国家支持下经长期科技攻关，现在基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，开发出喷漆、焊接、装配、搬运等机器人。由于不同应用领域的需求，机器人产品正朝着多品种、多规格、小批量、复杂化等方向发展。若仍采用传统的“一个用户需求、一次重新设计”的设计方法，就很难满足这些要求。模块化设计方法与传统设计方法相比，不仅可以通过选择适当模块迅速构建客户所需机器人，而且还能很好解决机器人品种、规格与设计制造的周期、成本之间的矛盾。因此，模块化机器人的研究已经成为机器人产业化前期的热门课题之一。１模块化设计思想及其优势来已久，基本思想是以产品（系统）的总功能为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定模块，然后通过模块的不同组合得到不同品种、不同功能的产品，以满足市场的各种需求【１】。模块化设计的主要目的之一就是力求“以不变应万变”，尽量以少数的模块组成尽可能多的产品。将模块化思想应用于工业机器人设计具有以下优势：①经济性，采用批量制造的标准化系列化工业机器人模块拼装成工业机器人，既能满足用户需求，又能有效降低制造成本；②缩短设计周期，能在用户有紧急需求的情况下比传统设计方法更加快速地设计出满足用户需求的机器人；③互换性强，便于维修；④有利于企业采用先进技术改进旧产品，开发新产品。
１．１模块化设计思想１．２工业机器人模块化设计过程模块化设计是在产品设计和生产不断发展过程中逐步形成的一种设计方法。而模块化设计思想由对工业机器人所要完成的功能进行分析，划分
并设计出一系列通用的功能模块，并对这些模块进
收稿日期：２００８—１２—１８基金项目：成都市科技攻关计划项目（０８ＧＧＺＤ０８９ＧＸ一００７）作者简介：陈航（１９８４一），重庆铜梁人，硕士研究生，主要研究方向为车辆工程。 万方数据扔掰２００９年第３期总第３６卷机器人技术·５７·
行选择和组合配置，就可以构成不同功能或功能相近但性能不同、价格不同的机器人产品【２】。工业机器人的模块化设计可有效降低成本、缩短设计周期、有利于产品更新换代、便于维修作业、增强产品市场竞争力，其设计过程如图１所示。图１工业机器人模块化设计过程２工业机器人坐标系选择与模块划分方法２．１工业机器人坐标系的选择广泛使用的工业机器人坐标系形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式、平面坐标式【３１（图２）。通过分析可以看出，机器人各关节的运动实际只有直线移动和旋转运动这两种基本形式。因此，在设计工业机器人时利用各种可以实现直线运动和旋转运动的通用部件进行功能组合形成模块。２．２模块的划分模块化设计的原则是力求以尽可能少的模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应尽量简单、规范，模块间的联系尽可能简单。因此，划分模块既要照顾制造管理方便，具有较大的灵活性，避免组合时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射。总的来说，划分前必须对系统进行仔细的、系统的功能分析和结构分析，并要注意以下几点：①模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性；②保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性；③模块间的接合要素要便于联接与分离；④模块的划分不能影响系统的主要功能。
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（ａ）直角坐标式（ｂ）圆柱坐标式（ｃ）球面坐标式萨哟
（ｄ）关节坐标式（ｃ）平面关节坐标式图２常用工业机器人坐标系形式
遵循以上原则，工业机器人可划分为以下模块：关节模块、连杆模块、伺服模块、控制模块。（１）关节模块。通常由各种电机、集成减速机构和控制器等组成，主要包括单自由度关节模块、二自由度关节模块、三自由度关节模块三种。单自由度关节模块又可分为旋转关节模块和移动关节模块两种（图３（ａ）和（ｆ））。二自由度和三自由度关节模块可认为是对两种单自由度关节模块的组合，故旋转、移动关节模块可认为是最基本最简单的关节模块。机器人机构的研究也正是以这两种基本关节模块为基础。图３给出ＷＵＲＳＴ开发的标准模块示意图［４１。对于同一类型关节模块可以配用不同的驱动机构，以适应不同运动学与动力学的要求。（２）连杆模块。无自由度连杆模块仅用于关节模块间的连接。不同长度的连杆模块由于具有不同方位的标准接口，使得模块关节之间的连接能满足机器人不同运动学和动力学的要求。因此，连杆模块不但要求简单可靠，还必须能够在模块之间传递动力或信息。（３）控制模块和伺服模块。工业机器人的控制模块主要是指控制器，控制器根据用户的指令对机器人本体进行操作和控制。伺服模块用来控制伺服电机，目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器ＤＳＰ作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂
万方数据·５８·机器人技术扔苈２００９年第３期总第３６卷
的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。把控制模块、伺服模块、关节模块、连杆模块和传感器有机地结合起来，实现整体功能的集成，就形成模块化工业机器人。这种集成不仅是机械结构按一定坐标系集成，更是在控制模块、伺服模块联系下的有机集成。只有这样，形成的整体才称为模块化工业机器人系统【２】ｏ图４为工业机器人模块化设计系统集成框图。审班挚（ａ）摆动关节（ｂ）平动与摇摆关节器人模块化设计的关键。综上所述，模块化设计与传统机器人设计方式相比拥有诸多的优势，将来势必成为工业机器人设计的主流方法。在这一领域进行深入研究，带来的生产快速、性价比高的工业机器人必将推动我国的机器人产业化及先进制造业的发展。］开关量Ｈ刊液压阀Ｈ÷ｌ液压执行元件Ｈ一÷
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２．３５０ｋｇ负载工业机器人模块化设计方案简述
根据设计过程，对整机进行模块化分。对比各种常用的机器人坐标系形式，决定采用目前通用工业机器人使用最多的关节坐标式，在此基础上建立的５０ｋｇ负载工业机器人三维模型草图如图５所示。
它可以实现体旋转，大臂旋转，小臂旋转，小臂翻转，手腕俯仰，手腕翻转六个自由度。这六个自由度都是旋转运动，都由伺服电机结合ＲＶ减速器再连接到相应部位的机体上来实现，这就是关节模块（图６给出大臂旋转的关节模块草图，其余类似）。完成的机器人控制系统采用ＰＬＣ，并通过触摸屏进行人机交互，具有可编程、易控制等特点。
３小结模块划分的好坏直接决定模块系列化的成败，而模块的有机集成又决定了预定的整机功能指标能否实现。因此，模块的划分和模块的集成是工业机
图１．伺服电机２．ＲＶ减速器３．大臂连杆模块４．机座图６大臂旋转关节模块草图
参考文献：［１】单以才．机器人机械操作臂的模块化设计及其控制的研究【Ｄ１．扬州：扬州大学，２００３．【２】张兴国，刘明．工业机器人组合式模块化结构设计研究阴．制造业自动化，２００８，（７）：３０一３２、７４．【３】吴振彪．工业机器人【Ｍ】．武汉：华中科技大学出版社，１９９７．【４】费燕琼，赵锡芳，徐卫良．机器人模块化的结构设计研究【Ｊ】．机器人．１９９９，（５）．【５】贾庆轩，杨磊，孙汉旭，马国伟，郐永涛．机器人模块化关节的设计与实现【Ｊ】．机电产品开发与创新，２００５，（６）：ｌ一３．［６】郭洪红．工业机器人技术【咖．西安：西安电子科技大学出版社，２００６．
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